DE663355C

DE663355C - Device for measuring and regulating temperature-dependent processes

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Publication number: DE663355C
Application number: DEP72491D
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1936-01-17
Filing date: 1936-01-17
Publication date: 1938-08-26

Description

Vorrichtung zur Messung und Regelung temperaturabhängiger Vorgänge Es sind bereits Bimetallthermometer und Thermostaten bekannt, die aus übereinander angeordneten und untrennbar miteinander verbundenen dünnen Schichten aus Metall und Metallegierungen unterschiedlicher Wärmeausdehnungszahlen bestehen oder bei denen Schichten aus Eisenlegierungen auf ihren beiden Seiten mit Schichten aus nichtrostendem Metall versehen sind. Solche Metallegierungen können jedoch im Laufe der Zeit durch Gefügeänderungen, Umkristallisationen u. dgl. gewissen Ermüdungs- und Alterungserscheinungen unterworfen sein, so daß die Betriebseigenschaften der daraus hergestellten Bimetallthermometer Schwankungen unterworfen sind, die sich in nachteiliger Weise auf die Zuverlässigkeit der damit auszuführenden Messungen und Regelungen auswirken. Es ist bekannt, daß keramische Werkstoffe, je nach der Zusammensetzung der :lassen, aus denen diese Werkstoffe bestehen, erhebliche Unterschiede der Wärmedehnungen aufweisen. Dieses unterschiedliche Ausdehnungsverhalten derverschiedenenkeramischen Werkstoffe kann beim Bau von Geräten und Vorrichtungen ausgenutzt werden, die zur Beobachtung und Regelung temperaturabhängiger Vorgänge dienen.Device for measuring and regulating temperature-dependent processes There are already bimetal thermometers and thermostats known, which are made of one above the other arranged and inseparably connected thin layers of metal and metal alloys with different coefficients of thermal expansion exist or at which have layers of iron alloy on their two sides with layers of stainless Metal are provided. However, such metal alloys can wear through over time Structural changes, recrystallization and the like, certain signs of fatigue and aging be subjected, so that the operating characteristics of the bimetal thermometer made therefrom Are subject to fluctuations, which adversely affect reliability the measurements and controls to be carried out with it. It is known that ceramic materials, depending on the composition of the: let that make up these Materials exist, have significant differences in thermal expansion. This different expansion behavior of the different ceramic materials in the construction of devices and devices used for observation and Control of temperature-dependent processes are used.

Die vorliegende Erfindung besteht darin, daß bei einer Vorrichtung zur Messung und Regelung temperaturabhängiger Vorgänge, die aus zwei oder mehr sehr dünnen, übereinander angeordneten und untrennbar miteinander verbundenen Schichten stark unterschiedlicher Wärmeausdehnungszahlen besteht, die Schichten aus ermüdungs- und alterungsfreien keramischen Werkstoffen gefertigt sind.The present invention resides in an apparatus for measuring and controlling temperature-dependent processes that result from two or more very thin, superimposed and inextricably linked layers consists of very different coefficients of thermal expansion, the layers of fatigue-resistant and non-aging ceramic materials.

Hierdurch wird erreicht, daß auch in sehr langen Zeiträumen keinerlei Änderungen des Betriebsverhaltens dieser aus keramischen Werkstoffen bestehenden Vorrichtungen zu befürchten sind.This means that even in very long periods of time, no Changes in the operating behavior of these consisting of ceramic materials Devices are to be feared.

Gemäß weiterer Erfindung nehmen bei einer solchen Vorrichtung die Wärmeausdehnungszahlen der übereinander angeordneten und untrennbar miteinander verbundenen keramischen Schichten in deren Reihenfolge zu.According to a further invention take in such a device Coefficients of thermal expansion of those arranged one above the other and inseparable from one another connected ceramic layers in their order.

Ferner sind erfindungsgemäß die übereinander angeordneten kerainischen_ dünnen Schichten unterschiedlicher Wärmeausdelinungszahlen auf keramischem Wege durch Zusammengarnieren oder Zusammenglasieren oder nach Aufbringen oder Einbrennen lötfähiger metallischer Beläge, z. B. Silberbeläge, durch Zusammenlöten oder -schweißen untrennbar miteinander verbunden.Furthermore, according to the invention, the superimposed kerainic_ thin layers of different thermal expansion numbers are ceramic-based by garnishing or glazing together or after applying or baking solderable metallic coatings, e.g. B. silver coverings, inseparably connected by soldering or welding.

Die untrennbar miteinander verbundenen keramischen Schichten können Leiter- oder Halbleitereigenschaft haben. Die stab- oder plattenförmigen Regelteile können ferner mit Heizwicklungen, z. B. in Form aufgebrannter Edelmetallwindungen, versehen sein. Außerdem dienen erfindungsgemäß die Stab- oder plattenförmigen Regelteile als Träger leitender Kondensatorbelegungen oder selbst als leitende Kondensatorplatten in solchen Kondensatoren, deren Kapazität sich bei Temperaturänderungen mit der Durchbiegung der Kondensatorplatten ändert.The inextricably linked ceramic layers can Have conductor or semiconductor properties. The rod-shaped or plate-shaped control parts can also with heating windings, for. B. in the form of burned-on precious metal windings, be provided. In addition, the rod or plate-shaped control parts are used according to the invention as a carrier of conductive capacitor coverings or even as conductive capacitor plates in such capacitors, the capacitance of which changes with temperature changes with the deflection of the capacitor plates changes.

Beispielsweise wird, wie in Abb. i schema-._ tisch dargestellt, ein sehr dünner Stab io aus dein einen keramischen Werkstoff durch Zusammengarnieren oder Zusammenglasieren mit einem ebenso dünnen Stab i i aus einem anderen keramischen Werkstoff unterschiedlicher Wärmeausdehnung zu einem bikeramischen Stab vereinigt sein. Der Stab io kann auch eine Schicht einer geeigneten Glasur mit entsprechender Wärmeausdehnungszahl sein, die auf den Stab ii als Träger in üblicher Weise aufgebrannt ist. Bei Erwärmung dieses so hergestellten bikerainischen Stabes wird sich dessen obere Schicht aus einem Werkstoff mit der L ängenausdehnungszahl z. B. 8,6 X io-6 sehr viel stärker ausdehnen als die darunter befindliche Schicht ii aus dem anderen keramischen Werkstoff mit der Längenausdehnungszahl z. B. 1,2 X io-e. Infolgedessen wird sich der bikeramische Stab nach Art einer Bimetallfeder krümmen und durchbiegen. Da die Schichten io und i i äußerst dünn, und zwar etwa o,1 bis 0,2 mm stark, gehalten sind, vermögen sie diesen Durchbiegungen, ohne zu zerbrechen, elastisch zu folgen. Die in Abb. i dargestellte Anordnung kann z. B. ohne weiteres als temperaturabhängige Schaltvorrichtung benutzt werden, indem am Ende des Stabes ii ein metallischer Kontakt 12 angebracht wird, der bei der Durchbiegung des Stabes und Überführung in die Lage 12' die Kontaktfläche 13 berührt und so einen elektrischen Stromkreis schließt. Die Stromzuführung zu dem Kontakt 12 kann. z. B. in der Weise hergestellt werden, daß der bikeramische Stab erfindungsgemäß einen aufgebrannten Edelmetallbelag, z. B. Silberbelag, erhält, durch den der elektrische Strom dem Kontakt 12 von der festen Einspannstelle des Stabes her zugeleitet wird. Natürlich kann die Schicht i i durch entsprechende Auswahl der zu ihrer Herstellung verwendeten keramischen Masse erfindungsgemäß selbst Leiter-oder Halbleitereigenschaft erhalten. In diesem Falle erübrigt sich eine besondere Zuleitung zu dem metallischen Kontakt 12, da dann die leitende keramische Schicht i i die Stromzuführung zu der Kontaktstelle selbst übernimmt.For example, as shown in Fig. I schema -._ table, a Very thin rod made of a ceramic material by garnishing together or glazing together with an equally thin rod i i made of another ceramic Material of different thermal expansion combined into a bikeramic rod be. The rod io can also have a layer of a suitable glaze with appropriate Its coefficient of thermal expansion burned onto the rod ii as a carrier in the usual way is. When this bikerainic rod produced in this way is heated, its upper layer made of a material with the elongation coefficient z. B. 8.6 X io-6 expand much more than the underlying layer ii of the other ceramic material with the coefficient of linear expansion z. B. 1.2 X io-e. Consequently the bikeramische rod will bend and bend like a bimetal spring. Since the layers io and i i kept extremely thin, about 0.1 to 0.2 mm thick they are able to follow these deflections elastically without breaking. The arrangement shown in Fig. I can, for. B. readily as temperature-dependent Switching device can be used by placing a metallic contact at the end of the rod ii 12 is attached, the bending of the rod and transfer to the position 12 'touches the contact surface 13 and thus closes an electrical circuit. The power supply to the contact 12 can. z. B. be produced in such a way that that the bikeramische rod according to the invention a burned-on noble metal coating, for. B. silver lining, obtained through which the electrical current to the contact 12 of the solid Clamping point of the rod is fed forth. Of course, layer i can get through i appropriate selection of the ceramic mass used for their production according to the invention itself retained conductor or semiconductor property. In this case it is not necessary a special lead to the metallic contact 12, since then the conductive ceramic Layer i i takes over the power supply to the contact point itself.

Ein weiteres Beispiel einer Vorrichtung nach der Erfindung ist schematisch in der Abb.2 dargestellt. Die Vorrichtung besteht in diesem Falle aus einem plattenförmigen Kondensator mit Luft oder einer dielektrischen Flüssigkeit als Dielektrikum. Als Träger der Kondensatorbelegungen 24 und 25 dienen zwei einander gegenübergestellte keramische Platten, die ati-s den paarweise untrennbar miteinander vereinigten, äußerst dünnen Schichten 2o und 2I bzw. 22 und 23 bestehen. Die Schichten 2o und 22 sollen dabei aus einem verlustarmen keramischen Werkstoff einer Wärmeausdehnungszahl und die Schichten 21 und 23 aus einem ebenfalls verlustarmen keramischen Werkstoff anderer Wärmeausdehnungszahl gefertigt sein. Die Kondensatorbelegungen 24. und 25 sind auf die Schichten 2o bzw. 22 zweckmäßig als Edelmetallbelegungen aufgebrannt und so untrennbar mit ihrer Unterlage verbunden. Ist z. B. die Wärmeausdehnungszahl des einen Werkstoffes etwa doppelt so hoch wie die des anderen, so werden sich bei einer Erwärmung der Kondensatoranordnung die dünnen Doppelschichtplatten 20, 21 bzw. 22, 23 kugelig gegeneinander krümmen. Dabei verändert sich der gegenseitige Abstand der Kondensatorbelegungen 24 und 25, wie dies in der Abb.2 gestrichelt angedeutet ist. Infolgedessen ändert sich auch die Kapazität des Kondensators. Aus den z. B. unter Zuhilfenahme eines an den Kondensator angeschlossenen Schwingungs- oder Meßkreises festzustellenden Änderungen der Kapazität kann auf die Temperaturänderungen zurückgeschlossen werden, denen die Kondensatoranordnung unterworfen ist. Das Aufbringen besonderer Kondensatorbelegungen 2.4 und 25 auf die dünnen keramischen Doppelschichten erübrigt sich, wenn diese so ausgewählt sind, daß sie selbst Leiter- oder Halbleitereigenschaft haben.Another example of a device according to the invention is schematic shown in Figure 2. The device in this case consists of a plate-shaped one Capacitor with air or a dielectric liquid as a dielectric. as Carriers of the capacitor assignments 24 and 25 are two opposite each other ceramic plates that unified ati-s inseparably in pairs, extremely thin layers 2o and 2I or 22 and 23 exist. Layers 2o and 22 should be made of a low-loss ceramic material with a coefficient of thermal expansion and the layers 21 and 23 made of a likewise low-loss ceramic material be manufactured with a different coefficient of thermal expansion. The capacitor assignments for 24th and 25th are expediently burned onto the layers 2o and 22 as noble metal coatings and so inextricably linked to their base. Is z. B. the coefficient of thermal expansion of the one material is about twice as high as that of the other a heating of the capacitor arrangement, the thin double-layer plates 20, 21 or 22, 23 bend against each other in a spherical manner. The mutual changes Distance between the capacitor assignments 24 and 25, as indicated by dashed lines in Figure 2 is. As a result, the capacitance of the capacitor also changes. From the z. B. with the aid of an oscillation or measuring circuit connected to the capacitor Changes in the capacitance that can be determined can be deduced from the temperature changes to which the capacitor arrangement is subjected. The application of special Capacitor assignments 2.4 and 25 on the thin ceramic double layers are unnecessary if these are selected so that they themselves conductors or semiconductors to have.

Der Kondensator könnte auch so ausgebildet sein, daß einer fest angeordneten Kondensatorplatte aus Metall oder z. B. mit aufgebranntem Metallbelag versehenen Platte aus einheitlichem, verlustarmem keramischem Werkstoff lediglich eine nach dem Verfahren gemäß derErfindun.g hergestellte bikeramische Platte gegenübersteht. In diesem Falle sind die Änderungen der Kapazität nur durch die Änderungen des Abstandes der beideri Kondensatorplatten bedingt, die sich bei wechselnder Erwärmung infolge der verschiedenen Durchbiegungen der bikeramischen Platte ergeben.The capacitor could also be designed so that one is permanently arranged Capacitor plate made of metal or z. B. provided with a burned-on metal coating Plate made of uniform, low-loss ceramic material only one after bikeramische plate produced according to the method according to the invention. In this case the changes in capacity are only due to changes in distance of the two capacitor plates, which change when the temperature changes as a result the different deflections of the bikeramischen plate result.

Die Erwärmung solcher und ähnlicher, aus mehrschichtigen keramischen Stäben oder Platten bestehenden Anordnungen kann durch das sie umgebende Mittel, z. B. Luft, Gas oder Flüssigkeit, erfolgen. Natürlich ist es auch möglich, die Erwärmung in der Weise vorzunehmen, daß auf den mehrschichtigen stab-oder plattenförmigen Körper eine von elektrischem Strom durchflossene Heizwicklung aufgebracht wird, wie dies beispielsweise schematisch aus Abb.3 ersichtlich ist. Die beiden sehr dünnen Halbrundstäbchen 30 und 31 aus keramischen Isolierstolzen stark unterschiedlicher Wärmeausdehnungszahlen sind z. B. durch Zusammengarnieren zu einem Rundstäbchen fest miteinander vereinigt. Auf die zylindrische Mantelfläche dieses Rundstäbchens sind Heizwindungen in Form eines Edelmetallbelages, z. B. Silberbelages 32, aufgebrannt, der erforderlichenfalls noch verstärkt sein kann und zur Leitung des Heizstromes dient. Das Stäbchen ist an einem Ende in einer mit den Heizwindungen 32 leitend verbundenen Stromzuführungsschelle 33 befestigt. Das andere Ende trägt einen ebenfalls mit den Heizwindungen 32 verbundenen Kontakt 34., der die Kontaktplatte 35 berührt. Bei der Erwärmung des Rundstäbchens infolge des durch die Heizwindungen hindurchfließenden Stromes wird sich das Stäbchen vermöge der verschiedenen Längenausdehnungszahlen seiner keramischen Teile 30 und 31 krümmen, so daß der Kontakt 34 von seiner Auflage 35 abgehoben und damit der Strom unterbrochen wird. Ein erneuter Stromdurchgang durch die Heizwindungen 32 kann erst nach Wiederabkühlung des Stäbchens stattfinden, sobald dieses wieder in seine ursprüngliche Lage zurückgeführt und der Stromschluß durch Berühren des Kontaktes 3 q. mit der Auflage 3 5 wiederhergestellt ist. Eine derartige Anordnung kann beispielsweise als selbsttätiger Temperaturregler in Heiz- und Wärmegeräten u. dgl. dienen. Das Aufbringen einer besonderen Heizwicklung erübrigt sich, wenn die dünnen keramischen Schichten unterschiedlicher Wärmeausdelinungszahl, aus denen der Kontaktarm besteht, so ausgewählt sind, daß sie selbst Leiter- oder Halbleitereigenschaft haben. In diesem Falle findet die Erwärmung des Kontaktarmes unter dessen gleichzeitiger Durchbiegung während des Stromdurchganges durch diese leitenden oder halbleitenden Schichten statt.The heating of such and similar arrangements consisting of multilayer ceramic rods or plates can be achieved by the means surrounding them, e.g. B. air, gas or liquid. Of course, it is also possible to carry out the heating in such a way that a heating winding through which an electric current flows is applied to the multilayered rod-shaped or plate-shaped body, as can be seen, for example, schematically in FIG. The two very thin half-round rods 30 and 31 made of ceramic insulating rods with greatly different coefficients of thermal expansion are z. B. firmly united together by garnishing to form a round stick. Heating windings in the form of a noble metal coating, e.g. B. silver lining 32, burned, which can be reinforced if necessary and is used to conduct the heating current. The rod is fastened at one end in a power supply clamp 33 that is conductively connected to the heating windings 32. The other end carries a contact 34 which is also connected to the heating windings 32 and which makes contact with the contact plate 35. When the round rod is heated as a result of the current flowing through the heating windings, the rod will bend due to the different linear expansion coefficients of its ceramic parts 30 and 31, so that the contact 34 is lifted from its support 35 and the current is interrupted. A renewed passage of current through the heating windings 32 can only take place after the rod has cooled down again, as soon as it has been returned to its original position and the current is closed by touching the contact 3 q. with the edition 3 5 is restored. Such an arrangement can serve, for example, as an automatic temperature regulator in heating and warming devices and the like. The application of a special heating coil is unnecessary if the thin ceramic layers of different thermal elimination factors, of which the contact arm consists, are selected so that they themselves have conductor or semiconductor properties. In this case, the heating of the contact arm takes place with its simultaneous bending during the passage of current through these conductive or semiconducting layers.

Selbstverständlich braucht sich die Herstellung solcher und ähnlicher mehrschichtiger keramischer Teile nicht lediglich auf die Verwendung von nur zwei keramischen Massen verschiedenartiger Wärmedehnung zu beschränken, sondern es können derartige zu Regel- und Meßvorgängen benutzte Platten oder Stäbe auch aus drei und mehr Schichten bestehen. Beispielsweise zeigt Abb. q. schematisch einen keramischen Stab, der aus den zusammengarnierten oder zusammenglasierten oder in sonstiger zweckmäßiger Weise untrennbar miteinander verbundenen Schichten .4o, 4.1 und 42 besteht, die aus keramischen Werkstoffen gefertigt sein sollen, deren Längenausdehnungszahlen sich ungefähr wie i : 4. : 8 verhalten.Of course, the production of such and similar ones is necessary multilayer ceramic parts do not just rely on the use of just two ceramic masses of different types of thermal expansion, but it can Such plates or rods used for regulating and measuring processes also consist of three and consist of more layers. For example, Fig. Q shows. schematically a ceramic Rod consisting of the garnished together or glazed together or in any other more expedient Way inextricably linked layers .4o, 4.1 and 42, the should be made of ceramic materials, their linear expansion coefficients behave roughly like i: 4.: 8.

Obwohl die unmittelbare feste Vereinigung der Schichten aus verschiedenartigen keramischen Werkstoffen auf keramischem Weg, d. h. durch Zusammengarnieren oder Zusammenglasieren, im allgemeinen am zweckmäßigsten sein wird, können die einzelnen keramischen Schichten auch nach Einbrennen von erforderlichenfalls verstärkten Edelmetallbelegungen miteinander verlötet oder verschweißt oder in sonstiger zweckentsprechender Weise miteinander fest verbunden sein.Though the immediate solid union of layers of diverse ceramic materials in a ceramic way, d. H. by garnishing or Glazing together, which will generally be most convenient, can be done by the individual ceramic layers even after the stoving of precious metal coverings that are reinforced if necessary soldered or welded together or in any other appropriate manner be firmly connected to each other.

Die Anwendung derartig dünner mehrschichtiger keramischer Erzeugnisse beschränkt sich naturgemäß nicht auf die wenigen in den Abb. i bis q. dargestellten Beispiele. Sie können vielmehr den verschiedensten Meßzwecken und Regelvorgängen dienstbar gemacht werden. Insbesondere eignen sich das erfindungsgemäße Verfahren und die nach diesem Verfahren hergestellten Vorrichtungen zu genauen Temperaturmessungen bei höheren Wärmegraden oder Gasen und Flüssigkeiten, wie Säuren, Laugen u.dgl., und in allen sonstigen Fällen, in denen die üblichen Temperaturmeßgeräte und Regelteile den dabei auftretenden chemischen Angriffen und Wärmeeinwirkungen nicht gewachsen sind.The use of such thin multilayer ceramic products is of course not limited to the few in Figs. i to q. shown Examples. Rather, they can be used for a wide variety of measurement purposes and control processes be made subservient. The method according to the invention are particularly suitable and the devices made by this process for accurate temperature measurements with higher degrees of heat or gases and liquids such as acids, alkalis, etc., and in all other cases where the usual temperature measuring devices and control parts not able to cope with the chemical attacks and the effects of heat that occur in the process are.

Claims

PATENT CLAIMS: i. Device for measuring and regulating temperature-dependent Operations with z. B. rod or plate-shaped control parts, which consist of two or more very thin, superimposed and inextricably linked layers there are very different coefficients of thermal expansion, characterized in that that these layers consist of fatigue-free and non-aging ceramic materials.

2. Apparatus according to claim i, characterized in that the coefficients of thermal expansion the ceramic ones, which are arranged one above the other and inseparably connected to one another Layers increase in their order.

3. Apparatus according to claim 1 and 2, characterized characterized in that the superimposed ceramic thin layers of different Coefficients of thermal expansion by ceramic means by garnishing or glazing together or after applying or stoving solderable metallic coverings, e.g. B. silver coverings, are inseparably connected to one another by soldering or welding. q .. device according to claims i to 3, characterized in that the ceramic layers have conductor or semiconductor properties. 5. Device according to Claims i to q., Characterized in that the rod-shaped or plate-shaped Control parts with heating coils, e.g. B. in the form of burned-on precious metal windings, are provided. 6. Apparatus according to claim i to 4, characterized in that the rod-shaped or plate-shaped control parts as a carrier for conductive capacitor assignments or even serve as conductive capacitor plates in such capacitors, whose Capacity changes with temperature changes with the deflection of the capacitor plates changes.